TWM583855U

TWM583855U - 具有不平整結構的微流道晶片及微流道結構

Info

Publication number: TWM583855U
Application number: TW108203414U
Authority: TW
Inventors: 董久源; 蔡松錡
Original assignee: 來富可得生物科技股份有限公司
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2019-09-21

Abstract

本創作為一種載有珠體的微流道結構，包括：偵測區段，偵測區段包括偵測主區及周壁，其中珠體設置於偵測主區中，且不平整結構設置於周壁的至少一部分，使微流體樣本的流動受不平整結構的攔阻，以增加微流體樣本與珠體的接觸機會。

Description

具有不平整結構的微流道晶片及微流道結構

本創作係關於一種增加生物物質之捕捉率的微流道晶片及微流道結構，尤指一種具有不平整結構的微流道晶片及微流道結構，以使微流體樣本碰觸不平整結構後，產生擾流效應。

癌症導致的高死亡率一直是醫療保健領域長期以來的一個嚴重問題。研究發現，腫瘤發生時多為器官侷限性疾病，但最終幾乎都會通過血流傳播到遠端器官，形成轉移，這種遠端轉移是導致腫瘤患者死亡的主要原因。從腫瘤原發部位脫落並進入血液循環系統的細胞稱為循環腫瘤細胞(circulating tumor cells，CTC)，CTC被認為是導致腫瘤遠端轉移發生的必要前提，其精準計數以及分子標記對於腫瘤患者的癒後判斷、療效評估均有重要的指標作用。

CTC數量會有動態變化，依據腫瘤本身變化以及對治療反應等，因此可用於體外早期診斷，藥物之快速評估，個體化治療等應用。然而，在患有轉移性癌症之患者中，CTC為稀有細胞，每10⁹個血細胞有一個CTC，使在技術上偵測及分離CTC具有難度。因此，必須使用集中收集方法來有效偵測及分離CTC。

目前集中收集方法之一實例為使用對CTC具有高特異性及敏感性之高度過度表現的細胞表面生物標記，諸如上皮細胞黏著分子(Epithelial Cell Adhesion Molecule，EpCAM)。Nagrath等人(Nature 2007,450：1235-9)開發基於抗EpCAM抗體塗佈之微流體晶片，用於CTC的偵測及收集。然而，上述技術之缺陷為純CTC之低偵測率，此係歸因於血細胞與抗EpCAM抗體的非特異性結合。

儘管偵測及分離CTC之技術在進步，仍需要特異性更高且更有效之方法來偵測、純化及釋放CTC及其他生物物質用於進一步培育及特性描述。

職是之故，申請人有鑑於習知技術之缺失，乃經悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨的精神，終創作出本案「具有不平整結構的微流道晶片及微流道結構」，以改善上述習知技術之缺失。

本創作是一種新型的微流體系統，包含微流道晶片及位於微流道晶片中且能抓取循環腫瘤細胞的珠體，以從血液細胞中分離循環腫瘤細胞。其原理是利用循環腫瘤細胞表面抗原的特性與種植於珠體表面的抗體做抓取，該珠體結構導致單位體積中最大之接觸面積，其次是微流道結構之流體阻力與曲型結構致使擾流產生，導致循環腫瘤細胞旋轉或滾動並增加與珠體的接觸機會來增強抓取效果，且藉由微流道結構的特殊設計，降低血液細胞與抗EpCAM抗體的非特異性結合。

本創作的微流道結構及微流道晶片的偵測區段特別具有不平整結構，可以有效的擾亂微流體樣本的流動方向，使微流體樣本產生擾流效應，以增加微流體樣本中的生物物質接觸珠體上的反應物質的機會。

本創作之一面向係提供一種微流道晶片，包括：一珠體；一基板；一本體，具一第一表面及一第二表面，其中該第二表面密合覆蓋於該基板上；以及一微流道結構，嵌於該第二表面，使該微流道結構在該本體與該基板之間形成一微流道，供一血液樣本在該微流道結構發生一流動，其中該微流道結構包括：一偵測區段，包括一偵測主區，其中該珠體設置於該偵測主區中，該偵測主區具有兩側壁及一上壁，且該兩側壁及該上壁為一不平整結構，使該血液樣本的該流動受該不平整結構的攔阻，以增加該血液樣本與該珠體的接觸機會。

本創作之另一面向係提供一種載有一珠體的微流道結構，包括一結構本體，用以使一微流體樣本在該微流道結構發生一流動而受一檢驗或處理，其中該結構本體包括：一偵測區段，包括一偵測主區及一周壁，其中該珠體設置於該偵測主區中；以及一不平整結構，設置於該周壁的至少一部分，使該微流體樣本的該流動受該不平整結構的攔阻，以增加該微流體樣本與該珠體的接觸機會。

為讓本創作之上述和其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，以下舉較佳之實施例，並配合所附圖式，以作一詳細說明。

10‧‧‧微流道晶片

100‧‧‧基板

200‧‧‧本體

210‧‧‧第一表面

220‧‧‧第二表面

300‧‧‧微流道結構

310‧‧‧血液樣本入口

320‧‧‧擴充區段

330‧‧‧增阻區段

340‧‧‧偵測區段

341‧‧‧第一端

342‧‧‧偵測主區

343‧‧‧第二端

350‧‧‧緩流區段

360‧‧‧血液樣本出口

40‧‧‧珠體

50‧‧‧微流道結構

500‧‧‧結構本體

510‧‧‧微流體樣本入口

520‧‧‧增阻區段

530‧‧‧偵測區段

531‧‧‧不平整結構

540‧‧‧緩流區段

550‧‧‧微流體樣本出口

60‧‧‧珠體

第1圖為本創作微流道晶片的俯視示意圖；第2圖為本創作延第1圖中A-A’的縱剖面示意圖；第3圖為本創作微流道晶片的偵測區段中設置珠體的示意圖；第4圖為本創作中另一實施例的微流道結構的示意圖；第5圖為無微流體系統的回收效率與偵測極限的結果圖；第6圖為本創作微流道晶片的回收效率與偵測極限的結果圖。

以下針對本案之「具有不平整結構的微流道晶片及微流道結構」的各實施例進行描述，請參考附圖，但實際之配置及所採行的方法並不必須完全符合所描述的內容，熟習本技藝者當能在不脫離本案之實際精神及範圍的情況下，做出種種變化及修改。

本創作的實施例是將循環腫瘤細胞由血液中分離。微流道晶片內部具有複數個透明珠體，當珠體捕捉到循環腫瘤細胞後，會將循環腫瘤細胞從血液中分離並定位於偵測區段中，剩餘之正常血液細胞將會從出口流出而流入廢液儲存槽。為了捕捉及分離血液中循環腫瘤細胞，珠體表面塗佈的物質最佳為上皮細胞黏著分子(Epithelial Cell Adhesion Molecule，EpCAM)的抗體。

請參見第1、2及3圖，其為本創作的微流道晶片的俯視示意圖及延A-A’的縱剖面示意圖。本創作的微流道晶片10包括珠體40、基板100、本體200及微流道結構300。本體200具有第一表面210及與第一表面210相對設置的第二表面220，微流道結構300嵌於本體200的第二表面220，且第二表面220會密合的覆蓋於基板100上，使微流道結構300在本體200與基板100之間形成微流道。

本創作的微流道結構300從入口至出口依序包括血液樣本入口310、擴充區段320、增阻區段330、偵測區段340、緩流區段350及血液樣本出口360。

本創作血液樣本入口310從本體200的第一表面210延伸至第二表面220，供血液樣本進入流道中。血液樣本入口310可為圓孔或多邊形孔洞，較佳為圓孔。本創作血液樣本入口310的直徑介於0.8-1.2mm之間，可容納18~21G針頭(約0.7~0.9mm)的注射器。

本創作擴充區段320的一端與血液樣本入口310連接，另一端與增阻區段330連接。擴充區段320的孔徑可為圓形或多邊形，較佳為方形。本創作擴充區段320的寬度介於0.8-1.5mm之間，且深度為1mm。

本創作增阻區段330的一端與擴充區段320連接，另一端與偵測區段340連接。增阻區段330的孔徑可為圓形或多邊形，較佳為方形。本創作增阻區段330的寬度介於250-500μm之間，且深度為1mm。

本創作偵測區段340包括第一端341、偵測主區342及第二端343，其中第一端341與增阻區段330連接，第二端343與緩流區段350連接，偵測主區342位於第一端341及第二端343之間，且設置有可吸附血液中循環腫瘤細胞的珠體40(如第3圖所示)。偵測區段340的孔徑可為圓形或多邊形，較佳為方形。在本創作的實施例中，偵測區段340的孔徑為方形。為了使珠體40以單層方式設置於偵測主區342中，故偵測區段340為限制流道深度的區域，偵測區段340的深度為珠體40的粒徑加上20-50μm，因此，偵測區段340的深度介於120-250μm之間。偵測區段340的第一端341及偵測主區342的寬度為可讓珠體40通過即可，故寬度介於250μm-1.5mm之間。偵測區段340的第一端341的寬度可與增阻區段330的寬度相同，或從增阻區段330的寬度逐漸增加至第一端341的寬度。偵測主區342中大約可容納20-30顆珠體40。

本創作微流道晶片上所載的珠體特別為大型珠體，其粒徑為100-200μm，珠體表面塗佈反應物質，反應物質包含(1)釋放或移除非特異性血細胞及其他血液組分(諸如蛋白質)的可釋放組成；(2)捕捉生物物質的生物活性組成；或(3)連接至可釋放組成及生物活性組成之連結分子。當微流體樣本流經珠體，珠體可吸附微流體樣本中可與珠體表面的反應物質產生反應的生物物質，並可釋放吸附到的生物物質，以進行進一步的研究及檢測。珠體的材料為透明塑膠或透明樹脂。微流體樣本可為體液或菌液，體液包括血液、腦脊髓液、各種消化液、精液、唾液、汗液、尿液、陰道分泌液或是含有生物物質的溶液。生物物質包括CTC、CTC循環幹細胞(例如腫瘤幹細胞、肝臟幹細胞及骨髓幹細胞)、胎兒細胞、細菌、病毒、上皮細胞、內皮細胞或其他生物物質。因此，針對要抓取的對象(生物物質)不同，珠體表面塗佈的反應物質也不同。

在偵測主區342的區段中，環繞偵測主區342的周壁中的至少一部分為不平整結構，即當偵測主區342孔徑為圓形，周壁中的至少一部分為不平整結構；以及當偵測主區342孔徑為多邊形，周壁中的至少一壁為不平整結構。不平整結構可以是梳型結構、波浪型結構、鋸齒狀結構及半圓形凸起結構至少其中之一，如第1圖中，偵測主區342的兩側壁的不平整結構為波浪型結構，又如第2圖中，偵測主區342的上壁的不平整結構為梳型結構。偵測主區342的不平整結構可以使血液樣本在流動時，攔阻血液樣本的流動方向，而增加血液樣本的紊流程度，打亂血液樣本的原始流動方向，進而增加血液樣本中循環腫瘤細胞與珠體40碰撞的機會。當液體碰撞偵測主區342的側壁的波浪型結構後導致具有10微米震盪幅度的擾流效應(如附圖1的紅色圓圈處)，循環腫瘤細胞將會因為波浪型設計導致的震盪而滾動或旋轉，以增加循環腫瘤細胞與珠體碰撞的機會。偵測主區342的周壁的不平整結構的大小可以是相同或不同的尺度，不平整結構的尺度可以是寬度或半徑30-50μm。在本創作的實施例中，偵測主區342的上壁為寬度50μm的梳型結構，且偵測主區342的兩側壁為半徑30μm的波浪型結構。

本創作的緩流區段350的一端與偵測區段340的第二端343連接，另一端與血液樣本出口360連接。緩流區段350的孔徑可為圓形或多邊形，較佳為方形。在本創作的實施例中，緩流區段350的寬度介於150-250μm，深度介於50-100μm。

本創作血液樣本出口360的一端與緩流區段350連接，另一端從本體200的第二表面220延伸至第一表面210。未被珠體40抓取的血液細胞會經由血液樣本出口360流至廢液的回收區(圖未示出)。血液樣本出口360可為圓孔或方孔，較佳為圓孔，且其直徑介於0.8-1.2mm之間。

下表1為本創作的珠體40粒徑及微流道結構300中各區段孔徑的較佳實施例。

本創作的基板100的材料可以是壓克力(polymethylmethacrylate，PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate，PET)、聚碳酸脂(polycarbonate，PC)、聚二甲基矽氧烷(polydimethylsilicon，PDMS)、矽膠、橡膠、塑膠或玻璃。本體200的材料可以是壓克力(polymethylmethacrylate，PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate，PET)、聚碳酸脂(polycarbonate，PC)、聚二甲基矽氧烷(polydimethylsilicon，PDMS)、矽膠、橡膠或塑膠。在選用基板100與本體200的材料時，必需考慮到基板100與本體200兩者之間的材料特性。在本創作的實施例中，基板100為玻璃，本體200為聚二甲基矽氧烷。

本創作的更提供一種微流道結構50的另一實施例，如第4圖所示。微流道結構50載有珠體60且具有結構本體500，結構本體500從入口至出口依序包括微流體樣本入口510、增阻區段520、偵測區段530、緩流區段540及微流體樣本出口550，其中珠體60位於偵測區段530中，且偵測區段530的周壁的至少一部分具有不平整結構531，以擾亂微流體樣本的流動方向。當微流體樣本從微流體樣本入口510進入後，可直接經由增阻區段520進入偵測區段530，經過偵測區段530中的珠體抓取微流體樣本中的生物物質，以進行微流體樣本的檢驗或處理後，再進入緩流區段540，最後從微流體樣本出口550流出微流道結構50。

本創作的微流道晶片的製備方法是先利用3D印表機印製母模，母模為光固化樹酯經過95%酒精沖洗，UV光固化2分鐘後，再次以酒精沖洗後放置烘箱烘烤10分鐘。利用食品級材料PDMS液狀體依比例倒入母模中經過50分鐘80度之固化步驟後，利用氧電漿機與玻璃基板接合。

實驗例

培養之循環腫瘤細胞珠放入生理實驗水緩衝液後以大型珠體抓取循環腫瘤細胞之研究

1.大型珠體(直徑200微米)於無微流體系統的回收效率與偵測極限

分別將10個、1000個及10萬個循環腫瘤細胞與珠體及1rmL生理食鹽水緩衝液(模擬血液環境)放入離心管中，並將循環腫瘤細胞及珠體於生理食鹽水緩衝液充分混合均勻後，觀察珠體的抓取效率。根據第5圖，實驗結果顯示只有放入10萬個循環腫瘤細胞之實驗組中，珠體有抓到1.5%細胞(約為1500個)，然而放入10個與1000個循環腫瘤細胞之實驗組中，珠體未抓取任何循環腫瘤細胞，表示小於1000個循環腫瘤細胞之血液環境，珠體無法抓取到任何循環腫瘤細胞。

2.大型珠體(直徑200微米)於本創作的微流道晶片的回收效率與偵測極限

分別將10個、50個、100個、500個及1000個循環腫瘤細胞與1mL生理食鹽水緩衝液混合，將混合後的液體樣本流經本創作的微流道晶片中的珠體，並觀察珠體的抓取效率。根據第6圖，實驗結果表示利用本創作的微流道晶片，液體樣本中含有50個以上的循環腫瘤細胞就可抓取，相較於無微流體系統處理之結果(需10萬個細胞才能抓取到，如第6圖所示)，偵測極限明顯縮小2000倍，且利用本創作的微流道晶片的回收效率平均高於5%，比無微流體系統的回收效率高約3倍。

當人體體內血液中的循環腫瘤細胞平均每10mL中約有50個以上時，表示該人罹癌的風險性很高。因此，本實驗證明只有大型珠體(直徑200微米)無法區分人體罹癌的風險性，然而大型珠體搭配本創作的微流道晶片可有效且精準的抓取血液中的循環腫瘤細胞，可以更快的判斷出是否罹癌。

實際將癌症病人的血液檢體染色後，經由本創作的微流道晶片的分離結果(請參見附件的附圖2~4)，其中綠色為循環腫瘤細胞，紅色為白血球。附圖2為循環腫瘤細胞(綠色點狀)被抓取於透明珠體上，附圖3為白血球(紅色點狀)錯誤抓取，附圖4為將附圖2及附圖3合成後得到所有抓取之細胞位置。本實驗證明癌症二期的病人於本創作微流道晶片中展現之結果，該結果顯示約抓取到13個循環腫瘤細胞，且僅有3個白血球細胞被抓取(由於人體1mL血液中的白血球數量約為10⁶~10⁷個之間，依照嚴謹定義，以10⁶個白血球細胞來推估，即一百萬個白血球細胞僅抓取到3個白血球細胞，遠低於現行經過FDA proof的Cellsearch儀器的抓錯率(10⁶個白血球細胞抓到約3000~4000個))。此外，本實驗結果從取得血液樣本至影像結果顯示僅需30分鐘，相較於以往經過前處理、循環腫瘤細胞分離至影像結果讀取需6~9小時，時間上縮短很多。因此，利用本創作的微流道晶片可以有效的抓取到血液中微量的循環腫瘤細胞，具有很低的抓錯率，且僅需30分鐘即可得到結果，故本創作的微流道晶片可以作為初步檢測是否具有癌症的快篩生物晶片。

其他實施例

1.一種微流道晶片，包括：一珠體；一基板；一本體，具一第一表面及一第二表面，其中該第二表面密合覆蓋於該基板上；以及一微流道結構，嵌於該第二表面，使該微流道結構在該本體與該基板之間形成一微流道，供一血液樣本在該微流道結構發生一流動，其中該微流道結構包括：一偵測區段，包括一偵測主區，其中該珠體設置於該偵測主區中，該偵測主區具有兩側壁及一上壁，且該兩側壁及該上壁為一不平整結構，使該血液樣本的該流動受該不平整結構的攔阻，以增加該血液樣本與該珠體的接觸機會。

2.如實施例1所述之微流道晶片，其中該偵測區段更包括一第一端及一第二端，該偵測主區位於該第一端及該第二端之間，該第一端用以接受該血液樣本，俾於該偵測主區檢驗或處理該血液樣本。

3.如實施例1所述之微流道晶片，其中該不平整結構為梳型結構、波浪型結構、鋸齒狀結構及半圓形凸起結構至少其中之一。

4.如實施例1所述之微流道晶片，其中該珠體載有一反應物質，用以與該血液樣本中的一生物物質反應，當該血液樣本與該珠體接觸，該反應物質與該生物物質反應，進而使該珠體吸附該生物物質。

5.如實施例4所述之微流道晶片，其中該反應物質為上皮細胞黏著分子(EpCAM)的抗體，且該生物物質為循環腫瘤細胞(CTC)。

6.如實施例1所述之微流道晶片，其中該珠體的材料為透明塑膠或透明樹脂，該基板的材料為壓克力(polymethylmethacrylate，PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate，PET)、聚碳酸脂(polycarbonate，PC)、聚二甲基矽氧烷(polydimethylsilicon，PDMS)、矽膠、橡膠、塑膠或玻璃，且該本體的材料為壓克力(polymethylmethacrylate，PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate，PET)、聚碳酸脂(polycarbonate，PC)、聚二甲基矽氧烷 (polydimethylsilicon，PDMS)、矽膠、橡膠或塑膠。

7.如實施例1所述之微流道晶片，其中該第一表面與該第二表面相對設置。

8.一種載有一珠體的微流道結構，包括一結構本體，用以使一微流體樣本在該微流道結構發生一流動而受一檢驗或處理，其中該結構本體包括：一偵測區段，包括一偵測主區及一周壁，其中該珠體設置於該偵測主區中；以及一不平整結構，設置於該周壁的至少一部分，使該微流體樣本的該流動受該不平整結構的攔阻，以增加該微流體樣本與該珠體的接觸機會。

9.如實施例8所述之微流道結構，其中該攔阻增加該流動之一紊流程度。

10.如實施例8所述之微流道結構，其中該不平整結構為梳型結構、波浪型結構、鋸齒狀結構及半圓形凸起結構至少其中之一。

綜上所述，本新型確能以一新穎的概念，藉由使本創作的微流道晶片與大型珠體的搭配，可以有效的抓取血液中微量的循環腫瘤細胞，並降低抓錯率，以早期判斷癌症的發生。此外，本創作的微流道晶片的偵測區段具有不平整結構，可以有效的擾亂微流體樣本的流動方向，以增加生物物質接觸反應物質的機會。再者，本創作的微流道晶片僅需20-30顆大型珠體，可以大幅降低製造的成本。故凡熟習本技藝之人士，得任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

Claims

一種微流道晶片，包括：一珠體；一基板；一本體，具一第一表面及一第二表面，其中該第二表面密合覆蓋於該基板上；以及一微流道結構，嵌於該第二表面，使該微流道結構在該本體與該基板之間形成一微流道，供一血液樣本在該微流道結構發生一流動，其中該微流道結構包括：一偵測區段，包括一偵測主區，其中該珠體設置於該偵測主區中，該偵測主區具有兩側壁及一上壁，且該兩側壁及該上壁為一不平整結構，使該血液樣本的該流動受該不平整結構的攔阻，以增加該血液樣本與該珠體的接觸機會。
如申請專利範圍第1項所述之微流道晶片，其中該偵測區段更包括一第一端及一第二端，該偵測主區位於該第一端及該第二端之間，該第一端用以接受該血液樣本，俾於該偵測主區檢驗或處理該血液樣本。
如申請專利範圍第1項所述之微流道晶片，其中該不平整結構為梳型結構、波浪型結構、鋸齒狀結構及半圓形凸起結構至少其中之一。
如申請專利範圍第1項所述之微流道晶片，其中該珠體載有一反應物質，用以與該血液樣本中的一生物物質反應，當該血液樣本與該珠體接觸，該反應物質與該生物物質反應，進而使該珠體吸附該生物物質。
如申請專利範圍第4項所述之微流道晶片，其中該反應物質為上皮細胞黏著分子(EpCAM)的抗體，且該生物物質為循環腫瘤細胞(CTC)。
如申請專利範圍第1項所述之微流道晶片，其中該珠體的材料為透明塑膠或透明樹脂，該基板的材料為壓克力(polymethylmethacrylate，PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate，PET)、聚碳酸脂(polycarbonate，PC)、聚二甲基矽氧烷(polydimethylsilicon，PDMS)、矽膠、橡膠、塑膠或玻璃，且該本體的材料為壓克力(polymethylmethacrylate，PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate，PET)、聚碳酸脂(polycarbonate，PC)、聚二甲基矽氧烷(polydimethylsilicon，PDMS)、矽膠、橡膠或塑膠。
如申請專利範圍第1項所述之微流道晶片，其中該第一表面與該第二表面相對設置。
一種載有一珠體的微流道結構，包括一結構本體，用以使一微流體樣本在該微流道結構發生一流動而受一檢驗或處理，其中該結構本體包括：一偵測區段，包括一偵測主區及一周壁，其中該珠體設置於該偵測主區中；以及一不平整結構，設置於該周壁的至少一部分，使該微流體樣本的該流動受該不平整結構的攔阻，以增加該微流體樣本與該珠體的接觸機會。
如申請專利範圍第8項所述之微流道結構，其中該攔阻增加該流動之一紊流程度。
如申請專利範圍第8項所述之微流道結構，其中該不平整結構為梳型結構、波浪型結構、鋸齒狀結構及半圓形凸起結構至少其中之一。